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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anlagen zum Kühlen von
Brunnenbohrungen mittels Fluiden und insbesondere auf Wärmetauscheranlagen,
die beim Kühlen
von Bohrwerkzeugen während des
Bohrens in geothermisch erwärmten
Schichten verwendet werden.
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Das
Bohren von Bohrlöchern
in die Erdkruste ist ein Vorgang, bei dem Schneidenergie in einem Bohrwerkzeug
aufgewandt wird, wobei der Energieverbrauch unvermeidbar die Werkzeugtemperatur erhöht. Zusammen
mit dem zum Bohren zugehörigen
Energieverbrauch steigt die lokale Temperatur des Bohrloches mit
der Tiefe. Die Kombination der Temperaturschranken des Schneidwerkzeugs
und der während
des Schneidens erzeugten Wärme
zusammen mit dem mit der Tiefe zunehmenden Temperaturprofil in dem
Bohrloch werden zu begrenzenden Faktoren bei der Effektivität des Schneidvorgangs. Einfach
ausgedrückt
ist der wirksame Temperaturunterschied am Werkzeugende unzureichend
für einen erfolgreichen
Wärmeaustausch
der lokal erzeugten Schneidwärme
und der Schneidvorgang erreicht schließlich unpraktikable Raten,
die eine Grenze für eine
wirkungsvolle Durchdringung setzen.
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In
der Vergangenheit wurden Bohrfluide durch den Bohrstrang nach unten
zum Werkzeug zirkuliert, die das Bohrklein (den Schneidschutt) zusammen
mit der darin enthaltenen durch das Schneiden erzeugten Hitze zurück an die
Oberfläche
gebracht haben. Wenn die Tiefe zunimmt, benötigt der Wärmeaustausch direkt quer zur
Bohrstrangwand zusätzliches
Abkühlen
des Bohrfluids. Dieses kann in einem Beispiel durch ein Kühlsystem
erreicht werden, das in meinem früheren US-Patent 4,215,753 beschrieben ist.
Ohne eine Begrenzung zirkuliert das vorstehende Kühlsystem
die Bohrfluide durch Wärmetauscher
an der Oberfläche
und zirkuliert dann die abgekühlten Fluide
nach unten in die Brunnenbohrung. Obwohl wirtschaftlich erfolgreich
benötigt
der Kreislaufpfad nichtsdestotrotz lange Bohrstrangdimensionen und einen
dementsprechenden Wärmeübertrag
von den zurückkehrenden
Fluiden auf das abgekühlte
Fluid. Dieses geschieht quer zur Bohrstrangwand und wird mit zunehmenden
Bohrtiefen erheblich.
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Zugehörig zu der
zunehmenden Tiefe ist auch der Druck innerhalb der Brunnenbohrung.
In der Tat sind die manchmal als Bohrschlamm bezeichneten Bohrfluide
häufig
mit Teilchenmaterie von hoher Masse in Lösung angereichert, um den örtlichen
statischen Druck in der Bohrung auszugleichen. Daher wird der Bohrstrang
erheblichen Drücken
in einem Fluid ausgesetzt, das mit Bohrklein und hochdichten Anreicherungswerkstoffen
belastet wird. Diese gesammelten Bedingungen begrenzen die Brauchbarkeit
von bekannten Isolationsbeschichtungen und der Wärmetausch quer zur Bohrstrangwand
wird daher durch das Strangmaterial festgelegt.
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In
der Vergangenheit sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden,
die in der einen oder anderen Weise die Bohrwandung isolieren. Beispiele derartiger
Verfahren können
in den Lehren der US-PS 3,820,605 von Barber et al, der US-PS 4,693,313
von Stephenson et al und der US-PS 4,276,936 von McKinzie gefunden
werden. Obwohl sie für
den beabsichtigten Zweck geeignet sind, versäumt jede der vorstehenden Verfahren
eine Berücksichtigung
der Wärmetauschraten
quer zur Bohrstrangwand. Der Austausch zwischen dem nach unten in
den Strang gepumpten abgekühlten
Fluid und dem zurückkehrenden
Fluid in dem umgebenden Ringraum der Bohrung bleibt daher unberücksichtigt.
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Bei
diesen auf die Steuerung der Wärmeübertragung
auf ein Bohrwerkzeug gerichteten Verfahren ist es eine übliche Praxis,
eine Werkzeugabschirmung vorzusehen, wie in der US-PS 5,016,716
von Donavon et al, oder das Werkzeug in einem Mantel einzuschließen, wie
in der US-PS 4,926,949 von Forrest. Während diese Beispiele wirkungsvoll
für die
in Aussicht genommenen Zwecke sind, wird der Wärmeübertrag quer zum Bohrstrang
wiederum kaum berücksichtigt.
Es ist das Verfahren zum Erhöhen
des wirksamen R-Faktors des Bohrstrangs selbst, das hier angesprochen
wird. Die Erfindung ist insbesondere wirkungsvoll in den schwierigen
Umgebungen von Bohrungen für
Tiefbrunnen und solchen, die wie bei Schrägbohrungen in einer Winkelrichtung
führen.
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Dementsprechend
sind es ein grundsätzlicher
Zweck und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bohrstrangstruktur
für reduzierte
Wärmeübertragungsraten
auszubilden.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung sind das Vorsehen isolierter Bohrstränge, die
für die
Beanspruchung in einer Brunnenbohrung geeignet sind.
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Noch
weitere Aufgaben der Erfindung sind es, ein isoliertes Beförderungsmittel
für abgekühlte Bohrfluide
zu einem Bohrwerkzeug vorzuschlagen.
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Kurz
gesagt, werden die vorstehenden und weiteren Aufgaben innerhalb
der vorliegenden Erfindung durch das Schaffen eines an der Oberfläche eingesetzten
Wärmetauschers
von in etwa in meiner US-PS 4,215,753 zuvor beschriebenem Typ gelöst, der
einen ventilatorgekühlten
Kühlkörper einschließt, der
einem Wasservernebelungsfeld ausgesetzt wird. Der Kühlkörper ist
eine Pumpe, der ein Strom von Bohrschlamm aus einem lokalen Vorratstank
oder einer Wanne zugeführt
wird, und der seine abgekühlte Ausgabemenge
in einen Bohrstrang abgibt, der sich in eine Brunnenbohrung erstreckt.
Dieser Strom von abgekühltem
Bohrfluid ist dann nützlich
beim Kühlen des
Bohrwerkzeugs.
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Ist
allerdings eine signifikante Tiefe erreicht, dann wird die Wärme in dem
den Bohrstrang umgebenden zurückkehrenden
Fluid mit dem abgekühlten Fluid
ausgetauscht, das nach unten in das Rohr gefördert wird, und die Fluidtemperaturen
an dem Werkzeug sind für
eine effektive Kühlung
zu nahe an den lokalen Arbeitstemperaturen. Dieser Verlust an Kühltemperaturunterschied
ist in erster Linie eine Funktion der Wärmeübertragungsraten quer zu den Bohrstrangwänden. Das
Temperaturdifferenzial wird weniger, wenn die Länge des Bohrstranges zunimmt. Daher
verhindert beim Bohren von tiefen Brunnen das höhere Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Bohrstrangs
eine wirkungsvolle Kompensation durch wachsende Pumpraten.
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Für Fachleute
sei angemerkt, dass die Bohrumgebung des Bohrstrangs sehr schwierig
ist. Die Temperaturen nehmen mit der Tiefe ebenso wie der Druck
zu und das Brunnenfluid ist mit Schneidpartikeln und dichteerhöhenden Werkstoffen
in Lösung belastet.
Jede Beschichtung der Rohrsegmente zum Erhöhen der Isolationskoeffizienten
wird daher sehr schnell erodiert oder bricht aufgrund der Brunnendrücke zusammen.
Diese zerstörerische
Umgebung wird außerdem
durch die allgemeine Bevorzugung von Schrägbohrungen verschärft, die
nun durch Umwelt- und ästhetische
Bedenken diktiert wird. Daher wird eine Rohrisolation durch Beschichten
eine schwierige Aufgabe, die durch die Werkstoffeigenschaften der
bekannten Isolationswerkstoffe begrenzt ist.
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Zum
Schaffen von Isolationseigenschaften für den Rohrstrang unter diesen
erschwerten Zuständen
wurde eine Rohrsegmentanordnung vorgeschlagen, in welcher jedes
Segment als ein konzentrischer Doppelwandzylinder gebildet wird.
Der Ringraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder
wird dann gefüllt
mit einem keramischen Material wie beispielsweise Kieselerde oder
Quarzsandgranulat oder -kügelchen
mit einem Umfang von insgesamt kugeliger Form, wobei die Korngröße durch den
Druck in der Bohrung festgelegt wird, welchem das spezielle Segment
ausgesetzt ist. Die Zwischenräume
zwischen den Kügelchen
können
dann ein Edelgas mit einem bestimmten Druck aufnehmen, um dem Zusammenbruch
der ringförmigen
Hohlräume
zwischen den Wandungen weiter entgegen zu wirken.
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Dementsprechend
können
diejenigen Rohrsegmente dichter an der Oberfläche der Bohrung, die niedrigeren
Drücken
ausgesetzt sind, eine grobkörnigere
Füllung
aufnehmen, da der die Wände überbrückende Abstand
zwischen den Körnchen
größer werden
kann. Auf diese Weise kann eine Auswahl der Größe der Segmentfüllkügelchen
so getroffen werden, dass weniger Kontakte von Wand zu Kügelchen stattfinden,
wodurch die isolierenden Eigenschaften des Segmentes zunehmen. Wenn
sich die Segmente in die tieferen Teile einer Brunnenbohrung erstrecken,
wo die Brunnendrücke
größer sind,
wird eine kleinere Granulierung der isolierenden Füllung kleinere Überbrückungsspannen
bieten, um höheren Drücken der
Wandbelastungen standzuhalten, wodurch der Widerstand gegenüber Zerstörungen zunimmt.
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Die
Segmente enden jeweils in bekannten mit einem Gewinde versehenen
Verbindern, die auch den ringförmigen
Hohlraum abschließen.
Daher wird eine Zusammenstellung von Segmenten vorgeschlagen, die
den steigenden Druckbelastungen mit der Bohrungstiefe entgegenkommt.
In jedem Fall müssen
die gepackten kugelförmigen
Füllungen
und die doppelwandigen Strukturen zusammen passen um die strukturelle
Stärke
der Segmente zu verbessern und es wird möglich, die Wanddicke etwas
zu reduzieren, um die Masse des Stranges zu reduzieren. Die zunehmende
Sektionssteifigkeit des Segmentes reduziert allerdings das Auftreten
von Biegestauchungen, ein Vorteil von besonderem Interesse bei Schrägbohrungen.
Daher erhöht
sich der Isolationsfaktor eines jeden Segmentes um ein Vielfaches
von vier oder mehr, während
die strukturelle Stärke
ebenfalls ansteigt.
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Die
doppelwandige Konstruktion erlaubt außerdem höhere innere Fluiddrücke beim
Bohren. Dieses Merkmal unterstützt
die Verwendbarkeit von durch den gepumpten Bohrschlamm angetriebenen Bohrwerkzeugen.
Die vorliegende erfinderische Kombination berücksichtigt daher die stärksten Bedenken
beim Bohren von Tiefbrunnen.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Kühlordnung für Bohrfluid, die mit isolierenden Bohrstrangsegmenten
in Übereinstimmung
mit einer erfinderischen Kombination versehen wird, wie sie hier
beschrieben ist.
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2 ist
eine seitliche Schnittansicht eines representativen Bohrstrangsegmentes,
das für
die vorliegende Erfindung brauchbar ist.
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3a, 3b und 3c sind
jeweils Schnittdetails, die die Wärmewege durch eine körnchenförmige strukturelle
Vielfalt von einer Füllung
in ringförmigen
Rohrstrangsegmenten veranschaulichen, zur Verwendung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Steuersignalschema in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine graphische Veranschaulichung eines Temperaturprofils längs einer
Brunnenbohrung.
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Wie
in den 1 bis einschließlich 5 dargestellt
ist, schließt
das erfindungsgemäße Bohrsystem
für Tiefbrunnen,
das insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist,
einen Bohrturm DR von herkömmlicher
Form versehen mit einem Bohrmast D (Derrick), einer Winde H und
einer Antriebseinheit U zum Drehen des Bohrstranges PS innerhalb
einer Brunnenbohrung WB ein. Natürlich kann
bei mit Bohrschlamm betriebenen Motoren im Bohrloch eine Drehmomentleistung
an der Oberfläche
fortgelassen werden. In allgemeiner Vorgehensweise wird Bohrfluid
oder -schlamm zu dem belasteten Ende des Stranges PS mittels einer
Schlammpumpe 11 gefördert.
Das Fluid F läuft
zu einem Schneidwerkzeug 12 am unteren Ende des Stranges.
Von dort aus kehrt es nach oben durch die Brunnenbohrung zu einem Brunnenkopf 14 zurück. Von dem
Brunnenkopf wird es in die Absetztanks 21, 22 und 23 gerichtet,
in denen die Teilchen des Bohrkleins abgetrennt werden.
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Eine
mobile Abkühleinheit
C des in der US-PS 4,215,753 beschriebenen Typs zieht den abgetrennten
Bohrschlamm aus den oberen Schichten des Tanks 22, kühlt dieselben
durch befeuchtete Wärmetauscher
und führt
die gekühlte
Flüssigkeit
in den Tank 21 zurück.
Die Tanks 21, 22 und 23 sind mit Wehren
bzw. Sieben 21a, 22a und 23a versehen,
die jeweils so aufgebaut sind, dass sie das aus der Brunnenbohrung
heraufgebrachte Bohrklein sammeln. Die letzte Stufe des Absetz-
und Trennvorganges im Tank 23 wird dann mittels der Pumpe 11 zu
dem oberen Ende des Bohrstranges PS geführt.
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Die
vorstehende Anordnung kühlt
einerseits den Bohrschlamm in dem Kühler C und führt ihn
andererseits unter Druck zu dem Werkzeug 12. Mit Schlammdruck
betätigte
Werkzeuge im Bohrloch können
daher in dem vorliegenden System bedient werden.
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Bei
allgemeiner Vorgehensweise besitzt die Brunnenbohrung WB einen Durchmesser,
der größer ist
als der des Bohrstranges PS, wodurch ein Ringraum AC rund um den
Strang gebildet wird. Der Bohrschlamm oder das Fluid F, das aus
dem Werkzeug 12 abgegeben wird, wird danach in unmittelbarem
Kontakt mit dem Bohrstrang PS zu der Oberfläche laufen. Bisher hat dieser
unmittelbare Kontakt dazu geführt,
dass ein wesentlicher Wärmetausch aus
der zurückkehrenden
Flüssigkeit
in die gekühlte Flüssigkeit
stattfand, die nach unten in den Bohrstrang geführt wird. Als ein Ergebnis
war der Nutzen der Kühlung
begrenzt, wenn die Bohrtiefen zunahmen.
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Um
die Isolationseigenschaften des Bohrstranges PS zu verbessern, wird
eine ringförmige Struktur
vorgeschlagen, die insgesamt anhand der Rohrsegmente 40-1, 40-2 und 40-3 beispielhaft
erläutert
werden kann. Jedes der Segmente 40-1, 40-2 und 40-3 ist
von ähnlicher
Form und ähnlich
bezifferte Teile beschreiben ähnlich
funktionierende Strukturen.
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Präziser ausgedrückt schließt jedes
Segment eine rohrförmige äußere Schale 41 ein,
die mit einem koaxialen inneren Innenrohr 42 versehen ist. Die
Schale 41 wird von dem Innenrohr 42 durch einen
Ringraum oder einen Hohlraum 43 getrennt, in welchen eine
gewisse Menge an Kieselerdegranulat, Quarzsand, Aluminiumoxid oder
anderen isolierenden Körnchen 45 gefüllt wird.
Der Gesamtdurchmesser der Körnchen
kann abgestuft werden, sodass das Segment 40-1 die größten Körnchen 45-1 aufnimmt, das
Segment 40-2 die kleineren Körnchen 45-2 und so
weiter.
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Sowohl
die oberen als auch die unteren Enden des ringförmigen Hohlraums 43 werden
verschlossen, indem ein kreisförmiger
Fortsatz 51 unter Druck in jede innere mit einem Gewinde
versehene Kupplung 50 eingeführt wird. Diese unter Druck
erfolgten Eingriffe können
mit einem ausgewählten Druck
gesteuert werden, wodurch der Ring gegen einen Kollaps vorbelastet
wird. Nachdem er so zusammengedrückt
worden ist, kann jede mit einem Gewinde versehene Kupplung 50 an
ihrem Platz mit einem parallel expandierenden Verfahren befestigt
werden und ein unter Druck stehendes Edelgas kann außerdem zwischen
die Zwischenräume
der Körnchen 45 durch
mit einem Gewinde versehene Anschlüsse 85 eingeführt werden.
Dieser abgedichtete und unter Druck stehende Hohlraum nimmt hinsichtlich
seines inneren Druckes mit der steigenden Gastemperatur zu und wirkt
so den Drücken
in der Brunnenbohrung in dem umgebenden Fluid entgegen.
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Wie
im Detail in 5 dargestellt ist, nimmt das
typische Brunnentemperaturprofil TT mit der Tiefe zu, wie dies auch
der Druck tut. Das Einschließen einer
begrenzten Menge an Gas in den Ringraum zwischen den koaxialen Röhren wirkt
einem Wandzusammenbruch durch äußeren Druck
entgegen.
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Eine
weitere Optimierung kann durch die Auswahl der Körnchengröße bewirkt werden. Wie in den 3a, 3b und 3e dargestellt ist, sind die Körnchen 45-1, 45-2 und 45-3 jeweils
zunehmend kleiner in ihren Abmessungen. Die Zahl von direkten Kontakten 49 pro
Einheitsoberflächengebiet
der inneren und äußeren konzentrischen
Röhren 42 und 41 nimmt
in direktem Verhältnis
zur Körnchen größe ab. Die
direkt leitenden Wärmeübertragerwege
HP können
daher durch die Auswahl der Körnchengröße, die
Wanddicke der inneren und äußeren Röhren und
die Art des verwendeten Materials gesteuert werden.
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Die
niedrigeren Brunnendrücke
dichter an der Oberfläche
passen besser zu den größeren Körnchen 45-1 und
das Segment 40-1 kann in diesem Teil des Bohrstranges PS
eingebaut werden. Wenn tiefer gelegene Einbauten durchgeführt werden
müssen, können die
Segmente 40-2 oder 40-3 eingebaut werden. In jedem
Fall ist es die Absicht die Zahl der direkten Kontakte 49 zu
reduzieren, wenn die Temperaturunterschiede zwischen dem nach unten
strömenden
Fluss und dem zurückkehrenden
Fluss am größten sind,
wodurch ein exponentielles Paradoxon des leitenden Wärmetausches
vermieden wird. In dieser Weise wird ein Bohrstrang durch verbindende Segmente 40-1, 40-2 und 40-3 ausgebildet,
wobei die Kombination der ausgewählten
Segmentarten durch die Kühlanforderungen
des Werkzeugs, die Temperatur im Bohrloch und das Thermalprofil
des Brunnens festgelegt wird.
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Wie
in 4 dargestellt ist, können die oben genannten Eingangsparameter
durch ein Feld von Temperatursensoren 111-1 bis 111-N abgefühlt werden.
Jeder Sensor ist mit einer Ultraschall verschlüsselnden Einheit 112-1 bis 112-N verbunden,
die diskrete verschlüsselte
Ultraschallsignale U-1 bis U-N nach oben in der Brunnenbohrung und
durch den Bohrschlamm in dem Ringraum sendet, der den Strang umgibt.
Die Signale U-1 bis U-N werden dann in einer Empfängerstufe 115 an
der Oberfläche
empfangen und durch einen Demultiplexer 116 werden sie
dann zu einer Datenverarbeitungsstufe 120 geführt. Es
ist diese Datenverarbeitungsanlage, die durch eine Servoschleife 121,
die an einem Ventil 122 angeschlossen ist, die Strömungsrate
steuert, die von der Pumpe 11 geliefert wird.
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Die
Datenverarbeitungseinheit 120 kann dann für bestimmte
Kombinationen von Segmenten 40-1, 40-2 und 40-3 kodiert
werden und kann dann eine gewichtete Funktion festlegen, die wie
folgt gesetzt wird PR = Σ(U – 1*K1) + (U – 2*K2)
+ (U – 3*K3)
+ (U – n*Kn)
+ ... wobei die Summe PR das Signal für die Pumpgeschwindigkeit und
K1 bis Kn die Gewichtungskoeffizienten sind, die von der Umgebungstemperatur
in dem Brunnen und der Wärmetauscherrate
des Segmentes festgelegt werden. Auf diese Weise kann das vorbestimmte
Brunnentemperaturprofil an die Pumpgeschwindigkeit und die Übertragungsraten
in jeder Tiefe angepasst werden.
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In
der 5 wird die Temperatur TT mit der Tiefe DD den
Steigungen SS-1, SS-2 und SS-3 im Wärmetausch der entsprechenden
Segmente gegenübergestellt.
Fachleute werden erkennen, dass die Wärmetauscherrate eine Exponentialfunktion
des Temperaturunterschiedes ist und durch Auswahl einer richtigen
Segmentkombination der Temperaturunterschied an dem Werkzeug 12 optimiert
werden kann. Die vorstehende Anordnung ermöglichst daher eine bequeme
Anpassung des Feldes mit den lokalen Wärmegradienten.
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Es
wird angenommen, dass viele Modifikationen und Variationen bewirkt
werden können.
Es ist daher beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung
allein durch die hier beigefügten
Ansprüche
festgelegt wird.